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洁净室流型、气流组织与cfd气流方法
日期:2018-03-23

介绍CFD方法在洁净室气流流型及气流组织模拟工程中的应用,并介绍了CFD软件的一般结构。指出了我国在CFD技术研究领域与国际先进水平的差距及我国本领域中进一步开展CFD研究的发展方向。
1、洁净室流型及气流组织 
通常,洁净室可分为乱流洁净室与单向流洁净室。就洁净室的气流状态而言,其流动一般均处于紊流状态。乱流洁净室与单向流洁净室并不是以层、紊流状态即Re数大小来划分的(层流状态时虽可得到真正意义上的单向流,但在实际工程中因Re数太小几乎不能实现—),而是以流场(以流线是否为平行或近似平行的直线来判定;对紊流来讲,流线是否为平行或近似平行的直线是一种统计意义上即系综的概念)是否均匀来划分的。当洁净室气流处于均匀或渐变状态时,洁净室可称为单向流洁净室;当洁净室气流处于急变或突变流状态时,洁净室可称为乱流洁净室。 
不论是乱流洁净室,还是单向流洁净室,其内部的气流运动总是受洁净室几何形状、送风气流及其相关参数(送风口几何与结构特征参数及送、回风口在洁净室内壁上的布局及敷设方式等因素的制约,这些因素的任何改变或不同的参数组合,都会得到洁净室内的不同气流组织型式。在不同的气流组织型式及送回风参数条件下,室内污染源所散发的颗粒物在气流运动的作用下会产生不同的运动,亦使洁净室有不同的净化效果。以乱流洁净室为例,有高效过滤器顶送、密集流线型散流器顶送、局部孔板顶送、测送等不同的气流组织型式,在这些气流组织型式中不可能形成流线为平行直线的流动,其主要特点是从平流到出流(从送风口到回风口)之间的气流的流通断面是变化的,洁净室断面比送风口断面大得多,因而不可能在全室断面或全室工作区断面形成均匀气流,所以气流由送风口出口后的主流流线彼此有很大或越来越大的夹角,流线曲率半径很小,有回流、旋流产生。在这些情况下,洁净室的净化效果如何,是需要认真研究的。再如单向流洁净室,其气流是一种“置换式”运动,流场中主流流线平行度如何,同样需要认真研究。如何选择合理的洁净室类型及气流组织型式,涉及到洁净室净化效果的评价,一般地讲,可以有俩大途径。一条途径是根据实验或现场实测,另一种途径是凭借计算机方法对洁净室气流运动进行仿真或模拟研究。本文主要介绍计算机仿真即CFD方法如何对洁净室气流运动进行评估或预估,从而实现洁净室工作的优化。 
2、洁净室流型及气流组织的CFD模拟 
CFD(Computational Fluid Dynamics 简称CFD 即计算流体动力学)是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行“三传”(传热、传质、动量传递)及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术,广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工、暖通空调及空气洁净等诸多工程领域,空气洁净及其模拟与预报是CFD技术应用的重要领域之一。与空气洁净相关的主要是洁净室流型及气流组织型式、室内颗粒运动及空气过滤器工作过程的CFD分析。 
2.1 用CFD方法进行洁净模拟与预报的一般步骤 
CFD方法在流体模拟与预报中的用途,主要表现为俩个大的方面:一是产品的开发;另一是流动状态的模拟与预报。如果把洁净室流型及气体组织型式设计方案看作是一件产品,那么过去我们在选择或确定某种具体流型及气流组织方案时一般是依靠现场经验、模拟实验及简单的理论分析来完成的,这是一种传统的优选方法,其一般过程可表示为图1. 
在这种方案优选过程中,方案可行与否往往取决于试验,为保证性能稳定,就不得不进行大量试验,而且,设计方案的筛选和优化是在设计、执照、测试部门之间进行的大循环,由于设计的环节多,设计方案产品的开发周期长,费用高;对工程设计而言,往往需要进行方案选择、优化,这一工作一般是靠经验完成,则难免导致方案可靠性降低,从而一起设计失败。计算流体力学即CFD的应用则改变了传统的设计过程,由于CFD软件可以相对准确地给出流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场或颗粒浓度场分布的时变特性(不定常特性),因而不仅可以准确预测流体产品的整体性能,而且很容易从对流场的分析中发现工程设计中的问题,据此提出的改进方案只需重新计算一次就可以判断、评估改进是否有效,并更容易得到某些规律性的知识。这样,工程的设计与优化很少依赖经验或试验,试验(或经验)的目的最多是进一步验证工程设计过程的合理性。所以现代设计过程应呈如下结构: 
在这一过程中,用虚线表示的环节”试验验证或专家评估”与传统设计过程的相应环节”测试评估或专家论证”的工作量相比大为减少,因为传统设计过程中的”测试评估”所包含的试验往往是探究性试验,需要有大量的”试验样本”,才能从这些”试验样本”中找到规律。而现代设计过程中,“试验样本”这一环节中的大量工作已通过CFD工作完成,即通过CFD工作形成大量的“虚拟实验样本”,只需要极少或无需实际的“试验样本”即可检验CFD方法的可靠性、正确性,故现代设计过程只工作量大为减少。在这种现代设计过程中,方案设计在这个设计循环中占有很大的比重,特别是方案设计阶段的CFD分析占有相当重要的地位。方案的筛选是以科学性的分析为基础,因而比较容易保证设计成功和产品质量的稳定,而且他将传统设计的大循环过程转变成方案带有预测性质的校验循环(验证循环),当设计已经级基本达到设计要求时再转入通常的详细设计,大大减少了设计过程的中间环节。另外现代CFD分析技术的发展不仅大大减少试验次数,甚至完全取消试验,即所谓的“虚拟产品开发”(Virtual Product Development 简称 VPD)。因此,CFD技术的大量应用能显著缩短设计周期,降低费用。 
2.2 洁净室气流组织模拟与预报的CFD过程 
前面我们已经谈到了乱流洁净室与单向流洁净室及其不同型式的气流组织方式,对这些气流组织方式进行分析、模拟与预报时,大多依靠理论解析和模拟试验或经验俩大类来完成。传统的理论解析是以势流理论为基础的,这是一种确定性方法,是存在一定局限性的。近年来人们发展了一些现代的分析、模拟、预报方法如随机过程方法、模拟数学方法、灰方法等。这些是不确定性方法,但基本上是以求得某种解析解为基础的,在洁净室齐鲁IAQ分析中有较大的用处,但这些方法对气流流动机理认识不足。随着现代计算机的飞速发展,计算机性能的极大提高和完善,人们不必对描述洁净室气流状态的控制方程进行过多的简化而借助与计算机通过运用CFD方法来得到洁净环境状态的细节,它是一种相对完善的确定性数值方法。洁净环境模拟与预报的一般CFD过程可表示为图3.在图3所示的过程中,“试验或经验判定”环节在使用CFD方法后仅需少量的试验工作,大量的试验工作通过计算机来“虚拟”实现。 
3、CFD软件的一般结构与洁净室气流控制方程 
CFD软件的一般结构可表示如下: 
对前处理、求解器及后处理等三大模块而言,有各自独特的作用,分述如下: 
在用CFD方法对洁净室气流流型及气流组织型式进行模拟或仿真时,选择合适的控制方程是最基本的问题之一。由于我们在分析洁净室净化效果时,必须了解颗粒物的时空变化规律,故一般情况下宜将洁净室气流视为气粒俩相流动。就室内洁净气流而言,其气相流场可用搜κ-ε双方程模型、DSM模型、ASM模型、κ方程模型、零方程模型等。对粒相而言,应充分分析颗粒在流场中所受到的各种外力的作用,由于空气洁净所研究的颗粒尺度很小,处于微米数量级,很容易随气流飘散,一个最简单的假设即是对粒子运动采用多流体或随机轨道模型等。对单流体模型,其粒子扩散方程可如下描述: 
该方程与气相方程联合使用,可描述洁净气流的俩相状态。 
4、结束语 
我国从事洁净环境模拟领域的CFD软件研究才刚刚起步,目前只有少数人们在从事这方面的研究,与国外先进水平相比还有较大的差距。国内如清华大学、天津大学、哈尔滨建筑大学、西安建筑科技大学、同济大学以及湖南大学等高校对通风空调工程中的空调气流组织之CFD优化研究均开展了一些研究工作,例如关于高大空间气流组织优化研究的CFD软件可以很方便的移植到乱流洁净室气流组织的研究工作中。但是对全面孔板送风的单向流洁净室而言,由于孔板孔口园而细,且其在孔板上分布较密,对孔口近似模化及进行网路划分时将会遇到很大的障碍,必须有容量很大的高性能计算机才可克服这中障碍,对这种孔口密集分布的孔板送分及相关气流组织的CFD研究,国内似乎尚未开展起来;而且现阶段国内对洁净气流的研究以单向流为主,几乎还未把气粒俩相流动的CFD理论引入洁净气流的研究工作中。就洁净室气流的试验研究而言,建研院空调所、同济大学及天津大学等单位开展较多的工作,CFD仿真技术与试验手段是相互补充、相互印证的,国内的科研院所及企业应加强联系与合作,以推进我国的洁净技术水平。前面已经谈到,CFD软件一般包括三部分,即前处理,求解(核心)部分及后处理(科学计算可视化)部分,从软件工程的角度来看,求解的(核心计算)部分与国外先进水平差距不大,主要差距表现在前处理即几何造体与网络自动生成技术、后处理即科学计算可视化部分。目前在我国国内已出现了CFX和PHOENICS等流体模拟商业软件,他们可用于洁净环境模拟问题中。从目前应用看,CFX系列存在一定优势,其界面友好且功能强大,其软件结构见前述。从总体上来看,我国洁净环境工程领域中开展CFD方面研究尚有大量工作要做。但是,由于CFD技术本身固有的有点,其在洁净室模拟与优化工程中必将有很大的应用前景。 

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